Die Revolution der Batterien in Elektroautos: Sie gewinnen bis zu 95 Prozent ihrer Kapazität durch einen einfachen Prozess zurück

Eines der großen Probleme, wenn eine Batterie ihr Lebensende erreicht hat, ist, dass ein großer Teil der aktuellen Recyclingverfahren darin besteht, sie zu zerstören, um ihre Materialien zurückzugewinnen. Ein Forschungsteam der Cornell University hat nun eine völlig andere Alternative vorgeschlagen: Anstatt die Elektroden zu demontieren, um sie in Rohstoffe umzuwandeln, versucht man, ihre Funktionalität direkt wiederherzustellen und sie erneut zu verwenden. Die als DEER bezeichnete Methode hat in den durchgeführten Tests bis zu 95 Prozent der ursprünglichen Kapazität wiederherstellen können.

Der Schlüssel liegt in einem der üblichen Degradationsmechanismen von Lithiumbatterien. Mit jedem Lade- und Entladezyklus sammelt sich auf den Elektroden eine Schicht an, die als SEI bezeichnet wird – eine feste Interphase, die eine notwendige Funktion für den Betrieb der Batterie erfüllt, aber letztendlich zu stark wächst und die Bewegung der Elektronen erschwert. Wenn diese Schicht dicker wird, steigt der Widerstand und die verfügbare Kapazität beginnt abzunehmen.

Forscher von Cornell haben einen Prozess entwickelt, der als Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER) bezeichnet wird und gezielt auf diese Schicht wirkt. Dazu entfernen sie die Elektroden der verwendeten Zellen, behalten sie unversehrt und führen sie in ein elektrochemisches Bad ein, das 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon enthält, kurz DMI. Dieses Verbindung ermöglicht es, einen großen Teil der angesammelten Interphase aufzulösen, ohne die Struktur der Elektrode zu zerstören.

Nach der Behandlung können die Elektroden erneut verwendet werden, um eine neue Zelle herzustellen. Das ist ein wichtiger Unterschied zum herkömmlichen Recycling, bei dem die Batterien zerkleinert werden und schließlich zu einer Mischung werden, die als Schwarzmasse bezeichnet wird. Aus dieser werden Materialien wie Lithium, Nickel, Kobalt, Mangan, Kupfer oder Aluminium durch Hochtemperaturverfahren oder chemische Behandlungen gewonnen, doch die ursprünglichen Elektroden verschwinden im Laufe dieses Prozesses.

Die von Cornell erzielten Ergebnisse sind besonders interessant. Die durch DEER regenerierten Zellen erholten bis zu 95 % ihrer ursprünglichen Kapazität und zeigten zudem eine langsamere Abnutzung im Vergleich zu den nicht behandelten Altbatterien. In den Tests stieg der Kapazitätsverlust von 0,072 % pro Zyklus bei den abgenutzten, nicht regenerierten Zellen auf 0,042 % pro Zyklus nach der Behandlung. Diese geringere Abnutzung hielt etwa 800 Zyklen an, bevor die Geschwindigkeit wieder zunahm.

Das Experiment öffnet außerdem die Möglichkeit, denselben Elektroden mehr als eine Lebensdauer zu geben. Die Forscher führten eine zweite Behandlung an einer bereits regenerierten Batterie durch und konnten etwa 90 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität wiederherstellen. Das bedeutet nicht, dass jede Batterie unbegrenzt dieses Verfahren durchlaufen kann, zeigt aber, dass die Regeneration wiederholt werden könnte, wenn das Hauptproblem die Ansammlung dieser Schicht auf den Elektroden ist.

Und hier zeigt sich eine der interessantesten Anwendungen für Elektroautos. Cornell arbeitete mit Batterien, deren Zustand zwischen 70 % und 80 % lag – ein Niveau, das mit dem Zeitpunkt übereinstimmen kann, an dem eine Batterie für bestimmte Anforderungen eines Autos nicht mehr geeignet ist. Dass jedoch eine Batterie an Kapazität verloren hat, bedeutet nicht unbedingt, dass ihre Elektroden zerstört sind. Wenn der Verschleiß hauptsächlich durch die Ansammlung an der Interphase verursacht wird, kann es immer noch einen erheblichen Teil des Materials geben, der wiederverwendet werden kann.

Das bedeutet nicht, dass DEER die herkömmliche Recyclung ersetzen wird. Die Methode hat ein ziemlich begrenztes Anwendungsfeld. Wenn eine Batterie an Lithiumverlust, Risspartikeln, strukturellen Schäden oder mechanischen Problemen leidet, löst das Entfernen der Oberflächenschicht das Problem nicht. In solchen Fällen sind weiterhin Verfahren erforderlich, die in der Lage sind, Materialien aus einer beschädigten Batterie zurückzugewinnen.

Zusätzlich gibt es noch ein wichtiges Hindernis, um diese Technologie in serienmäßige Elektroautos zu bringen. Die Forscher stellten fest, dass die direkte Einbringung des DMI in eine intakte Zelle keine guten Ergebnisse lieferte. Es ist notwendig, die Batterie auseinanderzunehmen, die Elektroden herauszunehmen, sie zu behandeln und zu waschen, bevor man sie erneut verwenden kann. Was im Labor funktioniert, muss in einen sicheren, reproduzierbaren industriellen Prozess umgewandelt werden, der in der Lage ist, große Mengen an Batterien zu verarbeiten.

Auch der wirtschaftliche Aspekt ist bemerkenswert. Die Studie schätzt, dass die Herstellung von recycelten Zellen mithilfe von DEER etwa 15,25 US-Dollar pro Kilogramm kosten würde, im Vergleich zu 26,31 US-Dollar bei der Pyrometallurgie. Unter Verwendung des Wechselkurses vom 21. September 2026 entspricht das etwa 13,3 Euro pro Kilogramm gegenüber 22,9 Euro pro Kilogramm. Die Analyse der Cornell-Universität schätzt zudem eine Kostensenkung von 56 Prozent bei der Herstellung recycelter Zellen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren.

Aber es gibt einen wichtigen kleingedruckten Punkt. Der DMI macht etwa 63 % der Prozesskosten in der veröffentlichten Schätzung aus, und die Berechnung berücksichtigt noch nicht seine Wiedergewinnung zur erneuten Verwendung. Wenn die Industrie es schafft, dieses Verbindungsmittel effizient wiederzugewinnen und zu wiederverwenden, könnte sich die Wirtschaftlichkeit des Systems verbessern – allerdings muss das außerhalb des Labors nachgewiesen werden.

Der nächste Schritt für das Team von Cornell ist vorerst, DEER mit größeren Batterien aus praktischen Anwendungen zu testen und gleichzeitig andere Degradationsmechanismen wie den Lithiumverlust in Angriff zu nehmen. Wenn es gelingt, diese Hindernisse zu überwinden, könnte diese Idee die Art und Weise verändern, wie wir das Recycling von Batterien verstehen: Man müsste nicht immer bis zum Ende warten, um deren Materialien zurückzugewinnen, denn in bestimmten Fällen könnte es sinnvoller sein, zunächst das zu reparieren, was noch nutzbar ist.

Quelle | Pubs.rsc.org